空氣凈化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沈棟梁

（紐福克斯光電科技（上海）有限公司，上海 201707）

0 引言

近些年來(lái)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也逐步提高，但隨之而來(lái)的工業(yè)排放、尾氣排放、生態(tài)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致霧霾天氣時(shí)常發(fā)生，污染的大氣和內(nèi)飾揮發(fā)出來(lái)的有害氣體等嚴(yán)重影響著室內(nèi)環(huán)境。人們出于保護(hù)自身健康的需要，希望每天有清新的環(huán)境，因此人們通常會(huì)購(gòu)買空氣凈化器來(lái)進(jìn)行室內(nèi)空氣凈化。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，市面上已存在各種凈化原理的空氣凈化器，但是在其各相關(guān)凈化技術(shù)[2]理論的研究也是剛剛起步，需要更深入的研究。該文主要研究如何通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以提高潔凈空氣量和去除率、降低噪聲，及如何在保證性能、質(zhì)量的前提下利于生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 外形分析和布局

1.1 原始外形

如圖1所示，該產(chǎn)品為空氣凈化器，也是室內(nèi)擺設(shè)件，起到裝飾和美化作用，因此外觀上要求精細(xì)，表面光滑平整，皮紋、顏色清晰和樣板一致，各部件配合間隙小于0.3 mm；上面外圍為鋁裝飾環(huán)，表面噴細(xì)砂處理并做亞光陽(yáng)極氧化；頂部為黑色噴漆進(jìn)風(fēng)網(wǎng)蓋和煙灰色顯示面板，通過(guò)OLED顯示屏顯示工作狀態(tài)；中間為透明LENS，在正面絲印LOGO，透過(guò)LENS可以看見(jiàn)內(nèi)部做裝飾用的螺旋風(fēng)頁(yè)；底部為黑色通風(fēng)底蓋。

圖1 原始外形圖

1.2 外觀布局優(yōu)化

經(jīng)過(guò)分析，考慮到增加的輔助充電功能，對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部進(jìn)行模塊化和智能化設(shè)計(jì)，并在外觀布局上進(jìn)行了優(yōu)化。1）在凈化器的右側(cè)增加USB充電輸出和點(diǎn)煙器輸出及電源輸入口，符合人體操作和右手使用習(xí)慣，節(jié)省內(nèi)部電線的同時(shí)，又規(guī)范走向、不至于凌亂，利于裝配。2）在不破壞整體外觀的基礎(chǔ)上，于進(jìn)風(fēng)網(wǎng)蓋下方布局PM2.5檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集和反饋功能調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)空氣凈化器運(yùn)行的智能化；通過(guò)頂部的OLED顯示屏和用戶實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。3）對(duì)濾網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、主控板、USB板等模塊通過(guò)PRO/E軟件建模后優(yōu)化排布，使布局清晰合理、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間，各主要組成部件的整體裝配布局如圖2所示。

圖2 整體布局圖

2 細(xì)部設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 殼體材料的選擇

通過(guò)對(duì)空氣凈化器的使用環(huán)境研究，消費(fèi)者將該產(chǎn)品擺放的位置，往往經(jīng)受夏天的高溫或者陽(yáng)光暴曬，表面溫度最高達(dá)90℃，冬季低溫最低達(dá)-40℃的影響，為了解決高低溫產(chǎn)生變形，主體材料選擇耐高溫塑料粒子奇美ABS PA-777E，透明LENS采用PC；兼具耐腐蝕性、耐沖擊性、可加工性等要求。

2.2 離心風(fēng)機(jī)的選擇

由于空氣凈化器的主要指標(biāo)是潔凈空氣凈化量（CADR）、去除率和噪聲，因此需要通過(guò)選擇風(fēng)機(jī)、并配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和風(fēng)道設(shè)計(jì)，來(lái)降低工作噪聲、提高凈化速度、增加凈化效果。通過(guò)對(duì)比，選用了高空氣流量的12VDC離心風(fēng)機(jī)，尺寸為Φ100×25.75 mm，流量為41.59 CFM，噪聲53.4 dB，這種風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速高、風(fēng)速快，風(fēng)力大、噪聲相對(duì)較高。

經(jīng)過(guò)計(jì)算此風(fēng)機(jī)的風(fēng)口面積為：2 779 mm2，按盡可能提高風(fēng)口面積比的原則，通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)口的面積（濾網(wǎng)的有效面積）為：6 588 mm2，同時(shí)增加出風(fēng)口的面積為：7 200 mm2，并增加導(dǎo)流筋條，降低出風(fēng)口處與大氣間的氣壓差，減少氣流在出風(fēng)腔體內(nèi)迂回和渦流，及時(shí)快速地將氣流排入室內(nèi)。

2.3 集流器分析設(shè)計(jì)

集流器位于風(fēng)機(jī)的前面，是氣流進(jìn)入風(fēng)機(jī)的導(dǎo)入裝置，利于導(dǎo)入均勻的氣流，并提高風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)效率，目前常用的集流器有如圖3所示的四種類型，其中雙曲線形集流器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，雙曲線設(shè)計(jì)最大限度地減少氣流和集流器之間的摩擦，使氣流進(jìn)入風(fēng)機(jī)更加順暢，因此廣泛運(yùn)用在高效風(fēng)機(jī)上。為了減少氣流在風(fēng)口的渦流損失，結(jié)合凈化器內(nèi)部布局，在安裝濾網(wǎng)的支撐中框上設(shè)計(jì)有集流器結(jié)構(gòu)，如圖4所示的紅色線。

圖3 集流器形式示意圖

圖4 集流器結(jié)構(gòu)圖（紅色線所示）

2.4 噪聲來(lái)源分析

空氣凈化器其噪聲主要來(lái)源有2類：機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。機(jī)械噪聲是由于加工工藝方面缺陷引起的，有軸承噪聲、轉(zhuǎn)子不平衡、殼體振動(dòng)等引起，這些缺陷可以通過(guò)機(jī)械加工技術(shù)、離心風(fēng)機(jī)進(jìn)料檢測(cè)以及裝配工藝加以控制。空氣動(dòng)力噪聲是由于氣體流動(dòng)時(shí)，氣體本身相互摩擦和氣體與殼體相互碰撞摩擦作用產(chǎn)生。由于離心風(fēng)機(jī)工作時(shí)，氣體流速非常快，因此必然會(huì)產(chǎn)生較大的氣動(dòng)噪聲[3]。氣動(dòng)噪聲主要分為旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲2類。

2.5 降低噪聲措施

按照噪聲產(chǎn)生的原因，我們?cè)谠O(shè)計(jì)制造空氣凈化器時(shí)，主要有2種降低空氣噪聲的方式。

2.5.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

設(shè)計(jì)時(shí)減少內(nèi)部的尖角結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)部阻擋結(jié)構(gòu)；模具加工時(shí)，對(duì)模具表面進(jìn)行拋光，控制零件表面粗糙度，減少摩擦阻力。

2.5.2 風(fēng)機(jī)和中框集流器之間的間隙要合理

合理的風(fēng)機(jī)和中框集流器之間的間隙能抑制渦流產(chǎn)生，降低噪聲。在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口中間是風(fēng)機(jī)工作的一個(gè)低壓空間，通過(guò)離心風(fēng)機(jī)的離心抽氣，形成一個(gè)真空層，通過(guò)產(chǎn)生的壓力差（負(fù)壓），吸入空氣穿過(guò)濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾。空氣流動(dòng)的同時(shí)，每個(gè)縫隙中就會(huì)通過(guò)氣流，氣流與內(nèi)部殼體表面產(chǎn)生摩擦和阻力，風(fēng)機(jī)和中框集流器間縫隙越小，真空度越高，縫隙間產(chǎn)生的氣流速度也越高，伴隨的渦流噪聲越大；相反風(fēng)機(jī)和中框集流器間隙越大，真空度就越低，產(chǎn)生的氣流速度低而影響潔凈空氣量。

通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在不同間隙時(shí)，潔凈空氣量和噪音測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1：并結(jié)合離心風(fēng)機(jī)的軸線竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)公差，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的間距，同時(shí)解決了真空度、噪聲2個(gè)特性之間的矛盾關(guān)系，并提高潔凈空氣量。在不同間隙時(shí)，潔凈空氣量和噪聲測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 集流器與風(fēng)機(jī)不同間距對(duì)CADR、去除率和噪聲測(cè)試對(duì)比

2.6 濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)

濾網(wǎng)吸附技術(shù)是通過(guò)致密的塑料纖維和活性炭組合，使稍大的固態(tài)顆粒無(wú)法通過(guò)濾網(wǎng)并停留在表面，有害揮發(fā)性氣態(tài)污染物與活性炭進(jìn)行化學(xué)和物理作用，通過(guò)活性炭?jī)?nèi)部豐富的微孔結(jié)構(gòu)和極大的表面積，針對(duì)分子量相對(duì)較小的氣態(tài)污染物（如甲醛、硫化氫、氮氧化物等）進(jìn)行化學(xué)吸附，和針對(duì)分子量相對(duì)較大的有機(jī)氣體(如苯等）進(jìn)行物理吸附，實(shí)現(xiàn)吸附凈化。

提高潔凈空氣凈化量的方法除了提高出風(fēng)口風(fēng)量，減少渦流損失，還需要減少濾網(wǎng)對(duì)進(jìn)風(fēng)產(chǎn)生的阻力。濾網(wǎng)的主要功能是凈化過(guò)濾，凈化的過(guò)程也是與帶有有害物的空氣與濾材接觸的過(guò)程，空氣和濾材的接觸面積越大，過(guò)濾效率就越好，但風(fēng)阻相對(duì)就越大，接觸面積小過(guò)濾效率就低，但風(fēng)阻小；因此濾網(wǎng)中的濾材和布局是關(guān)鍵，不僅直接影響到產(chǎn)品的潔凈空氣量，還影響有害物質(zhì)的去除率。因此設(shè)計(jì)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，底層采用紗網(wǎng)濾層，中間活性炭濾層選用優(yōu)質(zhì)炭布，并進(jìn)行風(fēng)琴折頁(yè)，增加有效面積，頂層采用零風(fēng)阻HEPA。通過(guò)HEPA有效濾除懸浮顆粒，和活性炭布的主動(dòng)攔截吸附有害氣態(tài)污染物、并通過(guò)底層的紗網(wǎng)濾層有效截?cái)嗾饎?dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的炭粉，防止二次污染，完成對(duì)微觀世界的凈化。

圖5 濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

綜上所述，合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)、合適的濾網(wǎng)材料及結(jié)構(gòu)布局能有效降低空氣凈化器噪聲、提高潔凈空氣凈化量、提高去除率，滿足消費(fèi)者健康需求、舒適需求、情感需求。我國(guó)目前正處于高速發(fā)展階段，為解決大氣、水源、土地等污染，以及能源資源短缺問(wèn)題，國(guó)家也提出了生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。空氣凈化器的設(shè)計(jì)也將趨向低能耗、高潔凈空氣量、高凈化率和智能化，未來(lái)還有更大更廣闊的發(fā)展前景。